本發(fā)明涉及能量轉(zhuǎn)換技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種適用于電動車的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

電動車的充電問題一直是阻礙電動車行業(yè)發(fā)展的主要因素，如何把電網(wǎng)中的電能高效、便捷地轉(zhuǎn)換成電動車蓄電池中的化學(xué)能一直是電動車行業(yè)中亟待解決的問題?，F(xiàn)有的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)通常較為復(fù)雜、可靠性低，且占用空間大、生產(chǎn)成本低。另外，現(xiàn)有的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)在直流轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，還存在電能轉(zhuǎn)換率低的問題。

因此，有必要提供一種適用于電動車的新的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)來解決至少一個上述技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。

在一個方面，本發(fā)明的實施例涉及一種能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，包括：充電組件，包括耦合至直流電壓源的波形變換電路以及與所述波形變換電路連接的變壓模塊；供電組件，耦合在直流電池和電機之間，用于在供電模式下將所述直流電池中的能量傳輸給所述電機，所述供電組件包括：用于將來自直流電池的直流電壓升高的直流/直流轉(zhuǎn)換器，以及，用于將升高的直流電壓轉(zhuǎn)換為交流電壓以提供給所述電機的直流/交流轉(zhuǎn)換器；其中，所述直流/直流轉(zhuǎn)換器包括耦合至所述直流電池的電感以及多個開關(guān)單元，所述多個開關(guān)單元中的至少部分以及所述電感在充電模式下與所述充電組件組成充電電路，給所述直流電池充電。

附圖說明

參考附圖閱讀下面的詳細描述，可以幫助理解本發(fā)明的特征、方面及優(yōu)點，其中：

圖1為本發(fā)明一個實施例的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的示意圖；

圖2為本發(fā)明圖1所示的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)在充電模式下的等效電路圖；

圖3為圖2所示的等效電路圖的工作模態(tài)波形圖；

圖4為本發(fā)明另一個實施例的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)在充電模式下的等效電路圖。

具體實施方式

本申請中使用的“包括”、“包含”、或“具有”以及類似的詞語是指除了列于其后的項目及其等同物外，其他的項目也可在范圍以內(nèi)。本申請中的近似用語用來修飾數(shù)量，表示本發(fā)明并不限定于所述具體數(shù)量，還包括與所述數(shù)量接近的、可接受的、不會導(dǎo)致相關(guān)基本功能的改變的修正的部分。

在說明書和權(quán)利要求中，除非清楚地另外指出，所有項目的單復(fù)數(shù)不加以限制。本發(fā)明專利申請說明書以及權(quán)利要求書中使用的“第一”、“第二”、以及類似的詞語并不表示任何順序、數(shù)量或者重要性，而只是用來區(qū)分不同的材料或?qū)嵤├取?/p>

除非上下文另外清楚地說明，術(shù)語“或”、“或者”并不意味著排他，而是指存在提及項目(例如成分)中的至少一個，并且包括提及項目的組合可以存在的情況。

本申請說明書中提及“一些實施例”等等，表示所述與本發(fā)明相關(guān)的一種特定要素(例如特征、結(jié)構(gòu)和/或特點)被包含在本說明書所述的至少一個實施例中，可能或不可能出現(xiàn)于其他實施例中。另外，需要理解的是，所述發(fā)明要素可以任何適合的方式結(jié)合。

以下根據(jù)附圖說明本發(fā)明的實施方式，下文中可能不會詳細描述眾所周知的功能和結(jié)構(gòu)，以避免因不必要的細節(jié)而使本發(fā)明變得令人費解。

圖1示出了本發(fā)明一個實施例的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)90的示意圖。能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)90耦合在直流電池60和電機50之間。在充電模式下，能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)90為直流電池60充電；在供電模式下，能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)90將直流電池60中的能量傳輸給電機50。在一些實施例中，直流電池60為車載電池。

能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)90包括充電組件10以及供電組件20。

充電組件10包括耦合至直流電壓源的波形變換電路12以及與波形變換電路12連接的變壓模塊13。

波形變換電路12在充電模式下，與變壓模塊13以及供電組件20中的部分元件組成充電電路，為直流電壓源60充電。在一些實施例中，波形變換電路12包括第三電感L_r、包含第五開關(guān)單元K₅和第六開關(guān)單元K₆的第三橋臂121、包含第七開關(guān)單元K₇和第八開關(guān)單元K₈的第四橋臂122。第五開關(guān)單元K₅和第七開關(guān)單元K₇互相連接，且兩者的連接點連接直流電壓源的正極，第六開關(guān)單元K₆和第八開關(guān)單元K₈互相連接，且兩者的連接點連接直流電壓源的負極。

在一些實施例中，波形變換電路12中的每個開關(guān)單元K₅、K₆、K₇、K₈包括場效應(yīng)管和二極管；場效應(yīng)管的柵極接入驅(qū)動信號，源極和漏極分別與二極管的兩端連接。

變壓模塊13主要包括變壓器。在一些實施例中，變壓模塊13的原側(cè)的一端通過第三電感L_r耦合至第五開關(guān)單元K₅和第六開關(guān)單元K₆的連接點C，另一端連接至第七開關(guān)單元K₇和第八開關(guān)單元K₈的連接點D。在一些實施例中，變壓模塊13的匝數(shù)比為N：1，其中，N為大于1的自然數(shù)，即，變壓模塊13的原側(cè)電壓大于副側(cè)電壓，由此，充電組件可對低壓電池進行充電。

在一些實施例中，直流電壓源由耦合在電網(wǎng)和波形變換電路12之間的交流/直流轉(zhuǎn)換器11形成。交流/直流轉(zhuǎn)換器11的輸入端111和112連接電網(wǎng)，輸出端113和114連接波形變換電路，并將來自電網(wǎng)的交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓，輸出給波形變換電路12。

在一些實施例中，直流電壓源為外部電壓源(圖未示)，也即，波形變換電路12連接能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)90外部的直流電壓源。

供電組件20耦合在直流電池60和電機50之間。在供電模式下，供電組件20將直流電池60中的能量傳輸給電機50。

供電組件20包括直流/直流轉(zhuǎn)換器21以及直流/交流轉(zhuǎn)換器22。

直流/直流轉(zhuǎn)換器21耦合在直流電池60和直流/交流轉(zhuǎn)換器22之間，將來自直流電池60的直流電壓升高，提供給直流/交流轉(zhuǎn)換器22。直流/直流轉(zhuǎn)換器21包括耦合至直流電池60的電感和多個開關(guān)單元，以實現(xiàn)直流電壓的升高。

在一些實施例中，直流/直流轉(zhuǎn)換器21包括第一電感L_f1、第二電感L_f2、 包含第一開關(guān)單元K₁和第二開關(guān)單元K₂的第一橋臂211、包含第三開關(guān)單元K₃和第四開關(guān)單元K₄的第二橋臂212。第一橋臂211的兩端分別與第二橋臂212的兩端連接，也即，第一開關(guān)單元K₁與第三開關(guān)單元K₃連接，第二開關(guān)單元K₂與第四開關(guān)單元K₄連接。第一橋臂211的中點，即第一開關(guān)單元K₁和第二開關(guān)單元K₂的連接點A，通過第一電感L_f1耦合至直流電池60的正極；第二橋臂212的中點，即第三開關(guān)單元K₃和第四開關(guān)單元K₄的連接點B，通過第二電感L_f2耦合至直流電池60的正極。第一開關(guān)單元K₁與第三開關(guān)單元K₃的連接點與直流/交流轉(zhuǎn)換器22連接；第二開關(guān)單元K₂與第四開關(guān)單元K₄的連接點與直流/交流轉(zhuǎn)換器22以及直流電池60的負極連接。

變壓模塊13耦合至直流/直流轉(zhuǎn)換器12，由此，充電組件10連接至供電組件20。在一些實施例中，變壓模塊13的副側(cè)的兩端分別與連接點A和連接點B連接。在一些實施例中，變壓模塊13與直流/直流轉(zhuǎn)換器12之間包括切換開關(guān)S1，以實現(xiàn)充電組件10與供電組件20之間的連接和斷開。

在一些實施例中，第一開關(guān)單元K₁包括場效應(yīng)管Q₁和二極管D₁、第二開關(guān)單元K₂包括場效應(yīng)管Q₂和二極管D₂、第三開關(guān)單元K₃包括場效應(yīng)管Q₃和二極管D₃、第四開關(guān)單元K₄包括場效應(yīng)管Q₄和二極管D₄；場效應(yīng)管Q₁、Q₂、Q₃、Q₄中的每個的柵極接入驅(qū)動信號，源極和漏極分別與屬于同一個開關(guān)單元的二極管的兩端連接。

在一些實施例中，根據(jù)需要，直流/直流轉(zhuǎn)換器21包含的橋臂的數(shù)量可多于兩個。

直流/交流轉(zhuǎn)換器22耦合在直流/直流轉(zhuǎn)換器21和電機30之間，將直流/直流轉(zhuǎn)換器21升高的直流電壓轉(zhuǎn)換為交流電壓，提供給電機50。

在一些實施例中，直流/交流轉(zhuǎn)換器22包括直流鏈路224以及包含第五橋臂221、第六橋臂222以及第七橋臂223的三相逆變器，第五橋臂221、第六橋臂222以及第七橋臂223中的每個均包含兩個互相連接的開關(guān)單元。三相逆變器通過直流鏈路224將升高的直流電壓轉(zhuǎn)換為交流電壓。

在一些實施例中，直流鏈路224包括與第五橋臂221、第六橋臂222以及第七橋臂223并聯(lián)的電容C₁。在一些實施例中，三相逆變器可根據(jù)需要調(diào)整為五相逆變器、七相逆變器等其他逆變器。

在一些實施例中，直流/直流轉(zhuǎn)換器21與直流/交流轉(zhuǎn)換器22之間耦合有切換開關(guān)S₂，以實現(xiàn)直流/直流轉(zhuǎn)換器21與直流/交流轉(zhuǎn)換器22之間的連接和 斷開。在一些實施例中，直流/直流轉(zhuǎn)換器21與變壓模塊13之間耦合有切換開關(guān)S₁，以實現(xiàn)直流/直流轉(zhuǎn)換器21與充電組件10之間的連接和斷開。在一些實施例中，直流/交流轉(zhuǎn)換器22與電機50之間耦合有開關(guān)組件30，用以實現(xiàn)直流/交流轉(zhuǎn)換器22與電機50之間的連接和斷開。在一些實施例中，直流/交流轉(zhuǎn)換器22直接連接電機50，也即，開關(guān)組件30不存在。

在供電模式下，切換開關(guān)S₁斷開，切換開關(guān)S₂閉合，供電組件20將直流電池60中的能量傳輸給電機50。在充電模式下，切換開關(guān)S₁閉合，切換開關(guān)S₂斷開，充電組件10與直流/直流轉(zhuǎn)換器21中的電感和至少部分開關(guān)單元組成充電電路，為直流電池60充電。

在一些實施例中，在充電模式下，第二開關(guān)單元K₂中的場效應(yīng)管Q₂以及第四開關(guān)單元K₄中的場效應(yīng)管Q₄斷開，充電組件10與直流/直流轉(zhuǎn)換器21中的第一電感L_f1、第二電感L_f2、第二開關(guān)單元K₂中的二極管D₂和第四開關(guān)單元K₄中的二極管D₄組成充電電路，為直流電池60充電。

在一些實施例中，能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)90包括控制單元40?？刂茊卧?0耦合至各個開關(guān)單元，為各個開關(guān)單元中的場效應(yīng)管提供驅(qū)動信號，以控制場效應(yīng)管的通斷。

由以上描述可以看出，無論是在供電模式還是充電模式下，直流/直流轉(zhuǎn)換器21中的第一電感L_f1、第二電感L_f2、二極管D₂和二極管D₄均工作，即：直流/直流轉(zhuǎn)換器21中的第一電感L_f1、第二電感L_f2、二極管D₂和二極管D₄既是供電電路的一部分，也是充電電路的一部分，這種情況通常被稱為“復(fù)用”。這種“復(fù)用”能夠簡化充電組件10的電路結(jié)構(gòu)、降低生產(chǎn)成本。并且，這種“復(fù)用”無需借助電機內(nèi)部元件，無需電機開放用于接入充電組件的端口，故這種“復(fù)用”對電機無特殊限制，具有較好的通用性，且電路結(jié)構(gòu)簡單，具有更高的可靠性。

圖2示出了圖1所示能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)90在充電模式下的等效電路圖；圖3為圖2所示的等效電路圖的工作模態(tài)波形圖。以下結(jié)合圖2和圖3，對能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)90的充電模式進行說明。

圖2中，直流電壓源等效為輸入電壓Vin。第五開關(guān)單元K₅等效為場效應(yīng)管Q₅，二極管D₅和電容C₅，其中，電容C₅為第五開關(guān)單元K₅中的實際的場效應(yīng)管的等效電容；類似地，第六開關(guān)單元K₆等效為場效應(yīng)管Q₆，二極管D₆和電容C₆，第七開關(guān)單元K₇等效為場效應(yīng)管Q₇，二極管D₇和電容 C₇，第八開關(guān)單元K₈等效為場效應(yīng)管Q₈，二極管D₈和電容C₈。第二開關(guān)單元K₂和第四開關(guān)單元K₄中的場效應(yīng)管在充電模式中處于斷開狀態(tài)，因此，在充電模式下，第二開關(guān)單元K₂等效為整流二極管D₂，第四開關(guān)單元等效為整流二極管D₄。直流電池60等效為電容C_f，直流電池60的等效電阻忽略。

第五開關(guān)單元K₅、第六開關(guān)單元K₆、第七開關(guān)單元K₇、第八開關(guān)單元K₈在充電模式下零電壓開通，即第五開關(guān)單元K₅、第六開關(guān)單元K₆、第七開關(guān)單元K₇、第八開關(guān)單元K₈在開通之前，兩端的電壓幾乎為零。整流二極管D₂和D₄在變壓模塊13的副側(cè)電壓幾乎為零時完成換流，從而避免電壓尖峰。

以下說明一些實施例中，能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)90在充電模式下的工作原理。

請參閱圖3，第五開關(guān)單元K₅、第六開關(guān)單元K₆、第七開關(guān)單元K₇、第八開關(guān)單元K₈的驅(qū)動信號包括頻率和占空比大致相同的方波。在一些實施例中，第五開關(guān)單元K₅、第六開關(guān)單元K₆、第七開關(guān)單元K₇、第八開關(guān)單元K₈的驅(qū)動信號包括頻率相同、占空比大致為50％的方波。

除死區(qū)T外，第五開關(guān)單元K₅和第六開關(guān)單元K₆的驅(qū)動信號互補；由于死區(qū)T的脈沖寬度相比驅(qū)動信號的脈沖寬度很小(為清楚起見，圖3所示死區(qū)T的脈沖寬度較大，但實際上，死區(qū)的脈沖寬度可能僅為驅(qū)動信號的脈沖寬度的幾十或幾百分之一)，因此，第五開關(guān)單元K₅和第六開關(guān)單元K₆的驅(qū)動信號可被視為大致互補；類似地，第七開關(guān)單元K₇和第八開關(guān)單元K₈的驅(qū)動信號大致互補。

第五開關(guān)單元K₅和第八開關(guān)單元K₈之間的驅(qū)動信號具有相位差；第六開關(guān)單元K₆和第七開關(guān)單元K₇之間的驅(qū)動信號也具有相位差。

請參閱圖2和圖3，以下以一個時間周期t₀至t₀’為例，對充電模式下的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)90進行說明。其中，圖2中變壓模塊13的原側(cè)電流i_P、副側(cè)電流i_s、第一電感L_f1的電流i_Lf1、第二電感L_f2的電流i_Lf2的正向電流方向如圖2中的相應(yīng)箭頭所示。

1)t₀時刻

在t₀時刻，Q₈開通，Q₅已在t₀時刻之前開通，C和D兩點之間的電壓V_CD＝V_in，變壓模塊13的原側(cè)電流i_P和副側(cè)電流i_s的方向如圖2中的箭頭方向所示，整流二極管D₂關(guān)斷，D₄開通。

2)t₁時刻

在t₁時刻，Q₅關(guān)斷，第一電感L_f1中的能量通過變壓模塊13從其副側(cè)傳導(dǎo)到其原側(cè)，由于此時電流i_P的方向如圖2中的箭頭方向所示，且僅Q₈開通，Q₅、Q₆和Q₇均關(guān)斷，因此，D₆導(dǎo)通，電流在第六開關(guān)單元K₆、第三電感L_r、變壓模塊13和第八開關(guān)單元K₈中流動。此時，變壓模塊13的副側(cè)電流i_s＝i_Lf1，二極管D₄的電流i_D4＝i_s+i_Lf2。

Q₆在t₁時刻之后開通，由于D₆此時導(dǎo)通，故第六開關(guān)單元K₆為零電壓開通。

3)t₂時刻

在t₁和t₂時刻之間，D₆和Q₈導(dǎo)通，由于存在通態(tài)壓降，變壓模塊13的原側(cè)電流i_P和副側(cè)電流i_s開始下降。隨著i_s的下降，D₂開始導(dǎo)通，且i_D2＝i_Lf1-i_s；并且，D₄中的電流開始下降。在t₂時刻，i_Lf2的電流方向為負，i_s＝-i_Lf2，i_D4＝0，i_D2＝i_Lf1+i_Lf2，則D₄自然關(guān)斷，僅D₂導(dǎo)通。

4)t₃時刻

在t₃時刻，關(guān)斷Q₈，與t₁時刻類似的，L_f2中的能量使得D₇導(dǎo)通。

t₁至t₃時刻之間，變壓模塊13的副側(cè)電壓為零。D₂和D₄在此期間完成換流，能夠避免電壓尖峰。

5)t₄時刻

在t₄時刻開通Q₇，由于D₇已導(dǎo)通，故第七開關(guān)單元K₇為零電壓開通。

6)t₅、t₆和t₇時刻

與t₁、t₂和t₃時刻相類似的，第五開關(guān)單元K₅和第八開關(guān)單元K₈均零電壓開通，且D₂和D₄在t₅至t₇時刻之間完成換流，能夠避免電壓尖峰。

7)t₀’時刻

在t₀’時刻，Q₈開通，進入下一個時間周期。

由上述說明可見，場效應(yīng)管Q₅-Q₈均可實現(xiàn)零電壓開通，從而能夠大大降低開關(guān)損耗，提高能量轉(zhuǎn)化率。

需要說明的是，參照圖1-圖3所述的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)90僅為本發(fā)明的一個示例，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，對本發(fā)明可以作出許多修改和變型。

例如，可對能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)90進行如下變型：參照圖1，在第一開關(guān)單元K₁和第三開關(guān)單元K₃的連接點與直流電池60的正極之間增加一個切換開關(guān)(圖未示)，且第一電感L_f1和第二電感L_f2的連接點E連接至一個雙刀開關(guān)(圖未示)，該雙刀開關(guān)還連接直流電池60的正極和負極，以使第一電感L_f1 和第二電感L_f2能夠在該雙刀開關(guān)的控制下被連接至直流電池60的正極或負極。

對于該變型后的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，在供電模式下，該增加的切換開關(guān)斷開，雙刀開關(guān)控制第一電感L_f1和第二電感L_f2連接直流電池60的正極。也即，在供電模式下，該變型后的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的等效電路與能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)90一致。在充電模式下，該增加的切換開關(guān)閉合，使D₁和D₃連接至直流電池60的正極，雙刀開關(guān)控制第一電感L_f1和第二電感L_f2連接直流電池60的負極。該變型后的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)在充電模式下的等效電路請參見圖4。

對于該變型后的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，在充電模式下，場效應(yīng)管Q₁、Q₂、Q₃、Q₄均斷開，第一電感L_f1、第二電感L_f2、二極管D₁和二極管D₃與充電組件10組成充電電路，對直流電池60進行充電。

雖然結(jié)合特定的實施例對本發(fā)明進行了描述，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，對本發(fā)明可以作出許多修改和變型。因此，要認識到，權(quán)利要求書的意圖在于覆蓋在本發(fā)明真正構(gòu)思和范圍內(nèi)的所有這些修改和變型。